高性能计算机发展历程及现状

　　摘要：高性能计算已被公认为继理论科学和实验科学之后的第三大科学研究方法，是科技创新的重要手段。高性能计算机经过几十年的发展，经历了向量机、MPP、集群等几个阶段，我国高性能计算机的研制和应用也得到了快速发展。国内多所高校和科研院所纷纷构建高性能计算平台，江汉大学也构建了自己的高性能计算平台。对高性能计算机发展历程进行了梳理，并分析了其现状，重点介绍了江汉大学高性能计算平台。 

　　关键词：高性能计算机；向量机；MPP；集群；中国TOP100；国际TOP500 

　　中图分类号：TP3-0 

　　文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）003-0007-02 

　　0 引言 

　　目前，高性能计算科学与技术已成为世界各国竞相争夺的战略制高点[1]。核心期刊目录2014一些发达国家和发展中国家纷纷制定战略计划，投入大量资金，加速研究开发步伐。美国从20世纪70年代起就实施了一系列推动计算科学发展的国家计划，包括“战略计算机计划”（SCP）、“高性能计算和通讯计划”（HPCC）、“加速战略计算计划”（ASCI）、“先进计算设施伙伴计划”（PACI）等。 

　　1 高性能计算机发展历程 

　　从20世纪70年代产生第一代高性能计算机开始，经过几十年的发展，高性能计算机经历了向量机、MPP、集群等几个发展阶段。 

　　1.1 向量机 

　　1974年，控制数据公司（Control Data Corporation，CDC）推出了CDC STAR-100，它是首先使用向量处理器（Vector Processor）的计算机，被认为是第一台向量机。1982年，克雷公司生产的Cray X-MP/2诞生，它是世界上第一部并行向量计算机。Cray X-MP系列计算机基于并行向量处理机结构，并行向量处理机是将向量处理器直接并行的一种体系结构。 

　　当时的并行向量机占领高性能计算市场达20年之久，并行向量机处理器数目的增加，使得定制费用和维护费用越来越昂贵，性价比越来越低，已难以满足高性能计算机市场化的要求。 

　　1.2 MPP 

　　自20世纪90年代开始，基于微处理器的大规模并行处理（Massively Parallel Processing， MPP）计算机逐渐成为高性能计算机的主流。大规模并行处理计算机是指由大量结点通过高带宽低延时的专有网络互联而组成的大规模计算机，其中每一个结点由处理器/缓存、局部存储器和网络接口电路构成。 

　　MPP系统使用专门的网络和操作系统。随着个人计算机的发展，集群出现了。 

　　1.3 集群 

　　20世纪90年代中期，个人电脑市场日趋成熟。并且，局域网技术也快速发展，在带宽和延迟上与传统高性能计算机所采用的专有网络的差距也日渐缩小。在软件方面，1991年出现的Linux操作系统，至1994年已经相当稳定，1993年发布了基于消息传递的并行程序设计标准MPI。 

　　集群系统是使用高速通信网络将多台原本独立、完整的微机或工作站连接在一起，构成一个统一的整体，使之可作为一种单一的计算资源来使用[2]。与SMP和MPP相比，集群具有更高的可扩展性、可用性和易维护性，而且价格低、性价比高。 

　　2 我国高性能计算机发展现状 

　　国际上，自1993年起每年都会按Linpack的测试性能公布世界范围内已安装的前500台高性能计算机排行。2002年之前，我国高性能计算机未曾向国际申报Linpack性能测试结果，故而未列入国际TOP500排行榜。从2002年起，中国软件行业协会数学软件分会联合中国计算机学会高性能计算专业委员会与国家“863”高性能计算机评测中心，每年11月在其网站（www.samss.org.cn）及国内主要相关媒体上公开发布国内（目前限于大陆）已经安装运行的、公开的、以Linpack作为基准测试程序（Benchmark）测试的性能最高的100台计算机系统名单——中国高性能计算机百强（China Top 100 List of High Performance Computing，简称中国TOP100）[3]。这一举动，为促进我国高性能计算机的研制及在众多领域的应用推广作出了积极贡献。 

　　在中国高性能计算机排行榜首次发布的2002年，排行榜中名列第一的联想深腾1 800万亿次机群名列该年国际TOP 500排行榜的第43名。2003年，在中国TOP 100排行榜中名列第一的联想深腾6 800万亿次机群名列该年国际TOP500第14名。2004年，在中国TOP100排行榜中名列第一的由中科院计算技术研究所研制的曙-4000A取得了6月份国际TOP500排行榜第10的历史性突破。2009年10月发布的由国防科技大学研制的“天河一号”千万亿次超级计算机以563.1 TFlops的Linpack性能名列2009年11月世界TOP500排行榜的第5名。2010年9月发布的国产“天河-1A”千万亿次超级计算机以2.56 PFlops的Linpack性能夺取2010年11月世界TOP500排行榜的第一名，是中国国产超级计算机首次夺得世界冠军。2013年，部署于广州超级计算中心、由国防科技大学研制的“天河二号”以33.863 PFlops的Linpack性能夺得国际TOP500排行榜首位。以上数据充分展现了我国高性能计算机的研发能力，证明我国已经成为了高性能计算强国。 

　　3 江汉大学高性能计算平台 

　　随着高性能计算机和计算方法的快速发展，物理、化学、生物等学科对计算资源有着迫切需求，国内多所高校和科研院所纷纷开始构建高性能计算平台[4]。江汉大学高性能计算平台就是在这样的背景下构建的。平台是集群结构，采用DELL模式构建， 包括19个计算节点、2个I/O节点、2个登陆节点、1个管理节点、1组管理网络、1组计算网络。 

　　19个计算节点包括：16个刀片式计算节点和2个GPU计算节点，每个节点2个CPU，每个CPU 12核，主频2.6GHz，节点内存64GB；一个胖节点，配置为4个CPU，每个CPU 8核，主频2.0GHz，节点内存1TB。I/O节点和登陆节点为：每个节点2个CPU，每个CPU 8核，主频2.0GHz，节点内存64GB； 管理节点为：每个节点2个CPU，每个CPU 6核，主频2.0GHz，节点内存64GB。 

　　计算网络使用56Gbps速率的Infiniband网络将刀片式计算节点、GPU计算节点、胖节点、登陆节点和I/O节点全部相连。管理网络通过万兆以太网将计算节点、登陆节点、I/O节点和管理节点全部相连。 

　　江汉大学高性能计算平台操作系统为Redhat Linux Server 6.4，应用开发环境软件为Intel Cluster Studio软件工具包，作业调度系统为IBM Platform。 

　　参考文献： 

　　[1] 周兴铭.高性能计算技术发展[J].自然杂志，2011，33（5）：249-254. 

　　[2] 赵玉广，孙爱国，郎美娜，等.基于集群技术的高性能计算系统研究平台的构建[J].吉林医药学院学报，2013，34（5）：363-366. 

　　[3] 袁国兴，孙家昶，张林波，等. 2013年中国高性能计算机发展现状分析及系统测评技术简析[J].计算机工程与科学，2013，35（11）：1-5. 

　　[4] 盛乐标，游伟倩，周庆林.南京大学高性能计算中心建设的探索与实践[J].实验技术与管理，2013，30（11）：144-146.